熵權可拓物元模型的水資源利用范文

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《西北水電雜志》2015年第二期

1模型簡介

可拓物元模型是將物元R及其三要素Q、C、U記作有序的三元組R=(Q,C,U)來描述對象、特征、關系的模型，其中，Q為對象、C為對象的特征、U為Q關于C的量值。利用熵權可拓物元模型評價水資源可持續利用狀況的主要步驟如下：

1.1建立經典物元模型為形成水資源可持續利用評價等級物元，需劃分m級評價標準，形成m個評價等級物元，每個評價等級物元包含n個評價指標，建立起水資源可持續利用評價經典物元模型。

1.2建立節域物元模型為形成水資源可持續利用評價指標物元，建立節域物元模型，將n個評價指標合成1個物元。水資源可持續利用評價的節域物元模型可表示為。式中：P為水資源可持續利用程度的評價標準；Ci為等級標準的評價指標；Tpi為P關于Ci的每個評價指標的范圍（節域）；api、bpi分別為節域下限和上限；i=1，2，„，n。

1.3建立待評物元模型為形成水資源可持續利用程度物元，建立如下待評物元模型。式中：Q為水資源可持續利用程度；Ci為等級標準的水資源可持續利用評價指標；Ti為Q關于評價指標Ci的實際值（原始數據）。

1.4計算待評物元關于各評價等級的關聯函數關聯函數表示物元的量值取值為實軸上一點時，物元符合要求的范圍程度。水資源可持續利用程度的關聯函數定義為。關聯度Kj(Ti)的含義為：當Kj(Ti)<-1，表明某一評價指標不符合某一等級標準，且不具備轉化為符合該等級標準要求的條件，值越小，離該等級標準要求越遠；當-1≤Kj(Ti)<0，表明某一評價指標不符合某一等級標準，但具備轉化為符合該等級標準要求的條件；當0≤Kj(Ti)≤1，表明某一評價指標符合某一等級標準，值越大，離該等級標準要求越近；當Kj(Ti)>1，說明某一評價指標超過某一等標準要求，值越大，該指標效果越好。

1.5計算指標權重評價指標權重的確定是建模評價的關鍵環節，權重賦予合理與否直接關系到評價結果的可信度。為有效避免指標權重賦值的主觀隨意性，本文采用客觀賦權法——熵權法來計算評價指標權重，具體參見文獻[8]。

1.6計算待評物元的綜合關聯度將各評價指標與等級標準之間的關聯度值進行加權求和，得到加權關聯度值。按照最大隸屬度原則，在所求得的綜合關聯度值中，最大綜合關聯度值所處的等級就是水資源可持續利用程度的評價等級。

2指標體系與評價標準構建

指標體系構建指標體系構建是建模評價水資源可持續利用程度的基礎。遵循科學性、系統性、層次性、動態性等原則，本文在借鑒前人研究成果[9]的基礎上，結合新疆和田地區水資源的實際情況，從水資源系統、社會系統、經濟系統和生態環境系統4個方面入手，初步建立起由16個單項指標構成的水資源可持續利用程度評價指標體系，之后對屬于同一準則層的評價指標作相關分析，相關性顯著的同類指標只保留一個，經篩選，構建起包含14個評價指標的水資源可持續利用評價體系（見表1）。該體系包括人均水資源量（C1，m3）、單位面積水資源量（C2，萬m3•km-2）與供水模數（C3，萬m3•km-2）這3項指標；社會系統包括人口密度（C4，人•km-2）、人口自然增長率（C5，‟）與城鎮化率（C6，%）這3項指標；經濟系統包括人均GDP產值（C7，元）、GDP年增長率（C8，%）、耕地灌溉率（C9，%）與第一產業占GDP比例（C10，%）這4項指標；生態環境系統包括林草地覆蓋率（C11，%）、生態環境用水率（C12，%）、地下水開采率（C13，%）與工業廢水處理率（C14，%）這4項指標。評價標準是定量評價的前提，參考文獻[11]，將水資源可持續利用評價指標劃分為5個等級標準：高（Ⅰ級）、較高（Ⅱ級）、中（Ⅲ級）、較低（Ⅳ級）、低（Ⅴ級），并對每個評價等級賦予分級標準。對于物元可拓學來說，水資源可持續利用分級標準和評價指標值即為可拓學的物元，14個評價指標即為物元特征，分級標準值及評價指標實際值即為事物關于特征的量值（見表2）。

3模型應用

3.1研究區概況新疆和田地區位于塔里木盆地南緣，南臨昆侖山與喀喇昆侖山，北倚塔克拉瑪干沙漠，下轄和田市、和田縣、墨玉縣、于田縣、皮山縣、洛浦縣、策勒縣與民豐縣七縣一市，總區劃面積24.78萬km2，總人口212.34萬人（截止2012年年底）。和田地區為典型的干旱區荒漠氣候，降雨稀少而蒸發強烈，多年平均降水量33.5mm，蒸發量2602mm（E20小型蒸發皿），蒸降比高達77.7，年均日照時數2610.5h，年均氣溫12.2℃，有效積溫在4200℃以上，無霜期185d。和田地區各縣市基本上是“一縣一河”，主要有安迪爾河（民豐縣）、克里雅河（于田縣）、策勒河（策勒縣）、和田河（和田市、和田縣、墨玉縣）、皮山河（皮山縣）等發源于昆侖山和喀喇昆侖山的大小河流36條，年徑流量約73.45億m3。研究區河流徑流量的季節反差極大，水資源時空、地域分配不均。由于水資源是干旱區綠洲實現可持續發展的保障，因此開展水資源可持續利用評價對于和田地區的經濟社會良性發展具有重要意義。

3.2評價模型構建（1）確定經典物元、節域物元以及待評物元矩陣。根據上述建模原理，首先建立水資源可持續利用評價等級的經典物元模型，對于高（Ⅰ級）來講，j=1，則經典物元矩陣為。（2）計算評價指標實際值與經典域和節域之間的距。利用式（5）與式（6）計算出各評價指標實際值與經典域、節域的距（見表3）。（3）計算待評物元關于各評價等級的關聯函數。根據各評價指標實際值與經典域、節域的距，利用式（4）計算出評價指標關于評價等級的關聯函數值（見表4）。（4）計算各評價指標熵權及各評價等級綜合關聯度值。根據熵權法計算出各評價指標的熵權wi=（0.0781，0.0708，0.065，0.0744，0.0436，0.0908，0.0586，0.0820，0.0427，0.0671，0.0815，0.1339，0.0664，0.0449）。根據表4中的關聯度值，利用式（7）、式（8）計算得各評價等級的加權關聯度和綜合關聯度（見表5）。由熵權計算結果可知，14個評價指標中，熵權較大的為生態環境用水率（C12）、城鎮化率（C6）、GDP年增長率（C8）和林草地覆蓋率（C11），熵權值分別為0.1339、0.0908、0.0820與0.0815，均超過0.08，這說明上述4因素是目前影響和田地區水資源可持續利用的主要因素；綜合關聯度最大值為1.000，研究區水資源可持續利用等級為較高（Ⅱ級），并有向中等（Ⅲ級）轉化的趨勢。（5）評價結果檢驗。為了檢驗本文所建模型的準確性，利用文獻[9]評價結果（2012年和田地區水資源可持續利用評價等級為Ⅱ級）進行復核。結果表明，兩種方法計算結果完全一致，這不僅驗證了本模型的準確性，也實現了方法對方法的檢驗。

4結論及討論

本文在構建水資源可持續利用評價指標體系的基礎上，嘗試采用熵權可拓物元模型，定量評價新疆和田地區2012年水資源可持續利用狀況，研究結果表明：（1）2012年，新疆和田地區水資源可持續利用評價等級為Ⅱ級，并有向中（Ⅲ級）轉化的趨勢；生態環境用水率、城鎮化率、GDP年增長率和林草地覆蓋率是目前影響和田地區水資源可持續利用的主要因素。（2）建立在可拓集合論和物元理論基礎上的物元模型，通過關聯函數和綜合關聯度來反應評價單元對某個評價等級的隸屬度，一定程度上提高了評價的精確度，熵權法確定指標權重，有效規避了指標權重設置的主觀隨意性，與相關研究成果比較，取得了較為滿意的結果，熵權可拓物元模型在水資源可持續利用評價方面實用可行。（3）由于各縣（市）相關評價指標數據難以獲取，本文只對和田地區水資源可持續利用情況進行了總體評價，評價結果僅反映了研究區水資源可持續利用整體狀況，不能體現各縣（市）間水資源可持續利用程度的差異。下一步應加大調研力度，努力獲取各縣（市）的評價指標數據，以縣（市）為基本單元開展水資源可持續利用評價，揭示研究區水資源可持續利用的空間差異性。

作者：魏光輝單位：新疆農業大學水利與土木工程學院